應用編碼激勵增強組織產生的諧波成像的制作方法

專利名稱：應用編碼激勵增強組織產生的諧波成像的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲成像系統，更具體地說涉及提高在醫療超聲成像中組織產生的和對比試劑產生的諧波信號的諧波與基波之比和諧波與噪聲之比。
常規的超聲成像系統包括發射超聲束并從所研究的目標接收反射束的超聲換能器元件陣列。這種掃描包括一系列的測量，在這些測量中發射聚焦的超聲波，在較短的時間間隔之后該系統切換到接收模式，接收反射的超聲波并形成聲束和處理以便進行顯示。通常，在每次測量中發射和接收都聚焦在相同的方向上，以便從沿著聲束或掃描線的一系列的點上采集數據。當接收反射的超聲波時接收器動態地聚焦在沿著掃描線的連續的范圍上。
對于超聲成像，該陣列通常具有許多設置在一行或多行中并由不同的電壓驅動的換能器元件。通過選擇所施加的電壓的幅值和時間延遲(或相位)，控制在給定的行中的每個換能器元件以便產生超聲波，綜合這些超聲波以形成沿著優選的矢量方向行進并聚焦在沿著聲束上所選擇的點上的凈超聲波。每次激發的聲束形成參數都可以改變以改變每次激發的焦點或方向，例如通過沿著相同的掃描線發射連續的聲束并且每個聲束的焦點相對于前面的聲束的焦點移動了。對于所控制的陣列，通過改變所施加電壓的幅值和時間延遲，在平面中移動具有焦點的聲束以掃描目標。對于線性陣列，通過在每次激發中移動遍布在陣列上的發射孔徑使垂直于陣列導向的聚焦聲束掃描整個目標。
當在接收模式中應用換能器探頭來接收所反射的聲波時應用相同的原理。對在接收換能器元件上所產生的電壓進行相加，所得的凈信號表示從在目標上的單個焦點上反射的超聲能量。當應用這種發射模式時，通過對來自每個接收器元件的信號施加不同的時間延遲(和/或相移)和增益來實現超聲能量的這種聚焦接收。
超聲圖像由許多圖像掃描線構成。通過將聚焦的超聲能量發射到在所研究的區域中一點上然后接收隨著時間的反射能量來采集單個掃描線(或較小的局部掃描線組)。聚焦的發射能量稱為發射束。在發射之后，一個或多個接收束形成器對每個通道所接收的能量相加，并動態地改變相位旋轉或時間延遲，以便在與所經過的時間成比例的范圍上沿著理想的掃描線產生峰值靈敏度。所得的聚焦靈敏度模式稱為接收束。掃描線的分辨率是相對應的發射束和接收束對的方向性的結果。
檢測束形成器的輸出以在目標區或研究區中形成每個采樣空間的相應的像素強度值。對這些像素強度值進行較大的壓縮、掃描轉換然后作為所掃描的組織圖像。
常規的超聲換能器發射中心在基頻f0的寬束信號，將這種基頻信號通過相應的脈沖發生器分別施加到發射孔徑的每個換能器元件中。以能夠在特定的發射焦點位置上產生所需的發射束聚焦的時間延遲激勵該脈沖發生器。
由于發射束傳播通過組織，當超聲波從在不同的密度的區域之間的邊界上反射或散射時產生回波。換能器陣列將這些超聲回波變換為電信號，處理該電信號以產生組織的圖象。這些超聲圖象是從基波(線性)和諧波(非線性)信號分量的結合中形成的，該非線性分量是在非線性介質比如包含有對比試劑的組織或血液流中產生的。由于散射的線性信號，所接收的信號是所發射的信號經過時間移動且與幅值成比例的信號。然而，這對于散射非線性的超聲波的聲介質來說并不是這樣。
來自較大的幅值信號發射的回波包含有線性和非線性的信號分量。在某些實例中，可以通過抑制基波并增強諧波(非線性)信號分量來改善超聲圖象的質量。如果所發射的中心頻率為f0，則組織/對比試劑非線性特性將產生Nf0的諧波和f0/N的分諧波，在此N為大于或等于2的整數。[術語“(分)諧波”是指諧波和/或分諧波信號分量。]通過發射頻率為f0的窄帶信號并接收中心頻率為2 f0(二次諧波)的頻帶并在其后進行接收信號的處理來實現對諧波信號進行成像。
組織產生的諧波成像能夠極大地改善在難于成像的患者的B-模式的圖象質量。由于諧波信號在幅值方面比基波信號至少低一個數量級，所以組織產生諧波成像所面臨的一個問題是較低的諧波與噪聲之比(HNR)。第二個問題是當以較低的諧波與基波之比(HFR)進行測量時不能充分地將諧波信號從基波信號中分離出來。
編碼激勵是在醫療成像領域中一項十分普通的技術。例如，在8/17/99公布的共同轉讓的美國專利US5,938,611公開了使用巴克碼(Barker code)和在11/16/99公布的共同轉讓的美國專利US5,984,869公開了使用戈萊碼(Golay code)。
組織諧波成像技術和應用對比試劑的諧波成像技術同樣地公知。在Averkiou等人的“一種基于組織的非線性特性的新穎的成像技術”(1997 IEEE Ultrasonics Symp.,pp.1561-1566)中提出了組織諧波成像的技術，而應用對比試劑的諧波成像技術描述在deJong等人的“在超聲對比試劑中的原理新近發展”(Ultrasonics vol.29,1991,pp.324-330)和Uhlendorf的“超聲對比試劑成像的物理現象在線性范圍中的散射”(IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.& Freq.Cotrol,Vol.41,No.1,pp.70-90,January(1994))中。組織諧波能夠極大地改善在難于成像的患者的B-模式圖象質量，而對比諧波能夠極大地促進血管研究。
Krishnan等人在“對非線性對比試劑成像的發射孔徑的處理”(Ultrasonic vol.18,pp.77-105,1996)中描述了一種相移技術，其發射信號穿過發射孔徑以抵消所發射的二次諧波頻率的信號。
Takeuchi在“編碼激勵諧波成像”(1997 IEEE UltrasonicsSymp.,pp.1433-1436)中進一步將相位移動概念延伸到對比試劑產生的二次諧波信號的編碼激勵中。
在上文所述類型的醫療超聲成像系統中，理想的是使HFR和HNR最優化。具體地說需要極大地提高在諧波成像中的HFR和HNR的系統和方法。
在本發明的優選實施例中，通過發射較長的經編碼的脈沖序列并接對所接收的聲束相加的數據進行解碼來執行應用編碼激勵的組織超聲諧波成像，從而改善組織產生諧波信號的HFR和HNR。
所發射的脈沖序列的幅值設定得足夠高以從組織的非線性特性中產生諧波信號。接收諧波信號(連同基波信號)、聲束形成、分離和解碼以及應用該信號形成圖象。
在本發明的優選實施例中，用于采集第N次諧波信號的發射波形是應用編碼序列的兩個編碼符號編碼的雙相波(1,-1)波，以第二編碼符號編碼的發射波形的每個編碼部分(即，片段(chip))相對于以第一編碼符號編碼的片段相位移動了180°/N。這通過在中心頻率相對于以第一編碼符號編碼的片段時移了以第二編碼符號編碼的發射序列的片段周期的1/2N。對于第二諧波信號(N=2)，經編碼的發射序列的兩片段的相位間隔為90°，這是通過在發射序列存儲器中循環地移動第二片段四分之一周期來實現的。[在此所使用的術語“循環移動”是指在移動了的片段的前端的時間采樣被加到移動的片段的后端。]在重復的過程中，通過中心頻率為兩倍基頻的帶通濾波器來分離出二次諧波信號并解碼增強。帶通濾波和解碼功能優選結合在一個濾波器中。
由于只有二次諧波信號正確地與解碼濾波器相匹配才能實現增加HFR，但基波(以及其它的諧波)都不能正確地編碼，因而不能實現任何解碼增益。應用這種技術，二次諧波信號的HFR和HNR都增加了10log(n)dB，這里n是在單發射(例如巴克碼)碼中的片段數量，或者對于雙發射(例如戈萊碼)碼增加了10log(2n)。附加的HFR增益使得可以應用更寬的頻帶信號來改善分辨率。
附

圖1所示為常規的超聲成像系統的方塊圖。
附圖2所示為依據本發明的優選實施例的超聲成像系統的方塊圖。
附圖3-6所示分別為一個周期的波形基本序列(附圖3)、過采樣編碼序列(附圖4)、用于基波成像的編碼基本序列(附圖5)以及依據本發明的優選實施例的諧波成像的編碼基本序列(附圖6)。
附圖7所示為依據本發明的一種變型的優選實施例從5-位雙相編碼序列與相匹配的解碼濾波器的濾波器系數的卷積中得出的壓縮脈沖的示意圖。
附圖8所示為依據本發明的優選實施例應用雙發射碼(例如戈萊碼)的濾波器的方決圖。
在附圖1中描述了一種本發明可以應用在其中的超聲成像系統。該系統包括具有許多獨立地驅動的換能器元件12的換能器陣列10，當通過發射器14產生的脈沖波形激勵該換能器元件12時，每個換能器元件12都產生超聲能量串。通過每個接收換能器元件12將從所研究的目標反射回到換能器陣列10的超聲能量轉換為電信號并通過一組發射/接收(T/R)轉換開關18分別施加到接收器16。T/R轉換開關18通常為能夠保護接收電子設備不受由發射電子設備產生的高壓影響的二極管。發射信號使二極管關閉或限制到接收器的信號。發射器14和接收器16都在主控制器(或主計算機)20根據來自操作員經過操作接口(未示)輸送的指令的控制下運行。發射器14瞬時接通以激發每個換能器元件12，隨后每個換能器元件12產生的回波信號施加到接收器16，通過采集一序列的回波來完成完整的掃描。也許一個通道開始接收的同時另一個通道仍然在發射。接收器16將來自每個換能器元件的分離的回波信號結合起來以產生單個的回波信號，應用該單個的回波信號以在顯示子系統的視頻監視器上產生圖像的掃描線。
在主控制器20的控制下，發射器驅動換能器陣列10以將所發射的超聲能量控制為聚焦的聲束。為實現這一點，通過發射束形成器26給許多脈沖發生器24都產生相應的時間延遲。主控制器20確定發射聲脈沖的條件。應用這些信息，發射束形成器26確定由脈沖發生器24所產生的每個發射脈沖的幅值和時序。每個脈沖的幅值由變跡法發生器(未示)產生。接著脈沖發生器24又通過T/R轉換開關18給換能器陣列10的每個元件12發送發射脈沖，該轉換開關18保護時間增益控制(TGC)放大器28不受在換能器陣列中存在的高壓的影響。通過適當地調整在常規方式中的發射焦點的時間延遲和變跡法權重，控制并聚焦超聲束以形成發射束。
每串超聲能量產生的回波信號沿著每個發射束從位于連續的范圍中的目標中反射。通過每個換能器元件12分別感測回波信號，在特定點上的回波信號的幅值采樣在時間上地表示在特定的范圍中產生的反射量。由于在反射點和每個換能器元件12之間的傳播路徑不同，并不能同時檢測回波信號，而且它們的幅值也不相等。接收器16經過在每個接收通道中的相應的TGC放大器28放大相應的回波信號。通過增加或降低作為深度函數的增益來實現時間增益控制。通過TGC驅動器電路(未示)來控制TGC放大器所產生的放大量，該TGC驅動器電路由主計算機和手動操作的電位器(未示)設定。然后將模擬回波信號輸送到接收束形成器30。
在主控制器20的控制下，接收束形成器30跟蹤發射束的方向，沿著每聲束在連續的范圍上采樣回波信號。接收束形成器30使每個經放大的回波信號具有適當的時間延遲和接收變跡法權重，并且將該信號相加以產生精確地表示從沿著某一超聲束的特定范圍上的點反射的總的超聲能量。應用專用的軟件實時地計算或從查詢表中讀取接收焦點時間延遲。接收通道還具有對所接收的脈沖進行濾波的電路。然后對經濾波的時間延遲接收信號進行相加。
在附圖1所示的系統中，通過解調器31將束形成器的輸出信號的頻率移動到基帶。實現這一點的一種方法是通過復數正弦e12πfddt乘以輸入信號，在此fd是將信號頻帶移到基帶所要求的頻移。解調的信號輸送給信號處理器32，信號處理器32將解調的信號轉換為顯示數據。在B-模式(灰度級)中，顯示數據包括進行某些附加處理比如邊沿增強和對數壓縮的信號包跡。
通常，通過掃描轉換器34將顯示數據轉換為X-Y格式的視頻顯示數據。經掃描轉換的幀傳遞到并入在顯示子系統22中的視頻處理器(未示)。視頻處理器映射顯示的視頻數據并將經映射的圖象幀輸送到顯示子系統中。
通過顯示子系統22的視頻監視器(未示)顯示的圖象從數據的圖象幀中產生，該數據的每條數據都表示在顯示器中的相應的像素的強度或亮度。圖象幀例如可以包括256×256個數據陣列，在這些數據陣列中每個強度數據都為表示像素強度的8位二進制數。在視頻監視器上的每個像素的亮度都通過公知的方式讀取在數據陣列中的它對應的元件值來連續地刷新。每個像素所具有的強度值都是響應超聲查詢脈沖在相應的采樣體積的截面的散射體的函數。
附圖2所示為應用單發射編碼激勵顯示諧波圖象的本發明優選實施例。在本系統中，在發射孔徑中的每個換能器元件都應用編碼基本序列進行脈沖加載，在該序列中的每個脈沖通常稱為一個片段(chip)。通過應用基本序列(包括-1和+1碼元的序列)與過采樣編碼序列(包括n位數字編碼，每個數字都為兩個編碼符號+1和-1中的一個)進行卷積來形成編碼基本序列。具體地說，應用n位數字編碼序列對基本序列進行相位編碼以產生存儲在發射序列存儲器36中的n-片段編碼基本序列。當應用單發射碼(例如巴克碼)時，發射序列存儲器36存儲用于每個發射聚焦區的一個編碼基本序列。當應用雙發射碼(例如，格萊碼)時，發射序列存儲器36存儲用于每個發射聚焦區的兩個編碼基本序列。
在附圖3、4和6中示出了應用在依據本發明的優選實施例的諧波成像中使用的實例性的編碼基本序列。為進行比較，附圖5所示為應用在常規的成像系統中的基頻信號分量的相應的編碼基本序列，其中不直接地發射編碼序列而是通過過采樣(一般在40MHz或dt=0.0025微秒的時間采樣)然后將該過采樣編碼序列(在附圖4中示出)與基本序列(在附圖3中所示)進行卷積以形成編碼基本序列。在附圖5和6中的字母“A”表示以編碼序列的第二編碼符號編碼的基本序列的開始。由于編碼基本序列的頻譜能夠更好地與具有適當選擇的基本序列的換能器的通頻帶相匹配，所以它能夠更高效地發射。
常規的雙相編碼比如巴克碼和格萊碼都具有兩個反相符號比如+1和-1。然而，為使用在附圖4中所示的編碼序列的編碼符號對發射波形進行編碼以采集第N次諧波信號，以第二編碼符號(即，-1)編碼的發射波形的片段需要相對于以第一編碼符號(即，+1)編碼的片段相移180°/N。這是因為如果發射信號具有相位項exp[jθ]，則所接收的第N次諧波信號具有相位項exp[jNθ]。具體地說，為對采集第二次(N=2)諧波信號的發射波形進行編碼，與兩個編碼符號+1和-1相對應的片段必需間隔90°，以便使相應的第二次諧波信號間隔180°。一旦接收，以兩倍于基本中心頻率的通帶濾波器分離出第二次諧波信號，隨后對該第二次諧波信號進行解碼。
通過在時間上循環移動相應的片段T=1/(2Nf0)微秒來實現在與第二碼元相對應的編碼基本序列中的相移，這里N是諧波階次，f0是以兆赫茲為單位的基頻信號(即，發射信號)中心頻率。例如，對于N=2(二次諧波)和f0=3.33兆赫茲，時移為T=0.075微秒，其對應于T/dt=3個時間采樣。然后在對應于90°相移的編碼基本序列中的片段在時間上循環移動3個時間采樣，第一個經移動了的3個時間采樣在附圖6中以陰影圖示。這是通過在發射序列存儲器中循環移動第二編碼基本序列(即，片段)四分之一周期來實現的。
在附圖2的系統中，從發射序列的存儲器36中讀出的每個編碼基本序列在相應的發射激發的過程中控制激勵許多脈沖發生器24。在給定焦點位置上的編碼基本序列以足夠的幅值發射，以便從在組織中的非線性傳播中產生諧波信號。脈沖發生器24驅動換能器陣列10的元件12以使在每次發射激發中所產生的超聲能量聚焦成束。為實現這些，使由脈沖發生器所產生的相應的脈沖波形具有來自查詢表38的發射焦點時間延遲。通過以常規的方式適當地調整發射焦點時間延遲，超聲束聚焦在許多發射焦點位置以實現在圖象平面中的掃描。
對于每次發射，將來自換能器元件12的回波信號輸送到接收束形成器的相應的接收通道40。每個接收通道具有TGC放大器和模擬到數字轉換器(在附圖2中沒有示出)，接收束形成器跟蹤所發射的聲束的方向。接收束形成器的存儲器42使所接收的回波信號具有適當的接收焦點時間延遲，此后將所接收的回波信號相加以產生精確地表示從特定的發射焦點位置所反射的總的超聲能量的回波信號。在接收束加法器44中將每次發射激發的時間延遲接收信號相加。
對于單發射編碼激勵，將在發射激發之后所采集的束總計接收信號輸送到復合濾波器46中。該復合濾波器46對束總計接收信號和接收編碼進行相關。復合濾波器46內含中心頻率為Nf0的帶通濾波器以分離出第N次諧波信號。可取的是，復合濾波器46包括執行帶通濾波和解碼濾波的有限沖激響應(FIR)濾波器。合適的濾波器系數存儲在濾波器系數存儲器48中，并在適當的時候輸送到復合濾波器46。可以理解的是分開的濾波器即帶通FIR濾波器和解碼FIR濾波器可以替換復合FIR濾波器。將帶通FIR濾波器的濾波器系數b(m)設計成通過諧波信號分量，這里m=0,1,2,…,(M-1)，而解碼FIR濾波器的濾波器系數a(k)為發射編碼的函數，這里k=0,1,2,…,(K-1)。依據下式對濾波器系數a(k)與濾波器系數b(m)進行卷積來計算具有濾波器系數c(i)的在功能上等效的復合濾波器，這里i=0,1,2,…,(MK-1)c(i)=Σk=0K-1a(k)b(i-k)---(1)]]>
通過解調器對經帶通濾波和解碼的接收信號進行解調，并輸送給信號處理器32(參見附圖1)。在B模式中，信號處理包括包絡線檢測、邊沿增強和對數壓縮。在信號處理和掃描轉換之后，在顯示子系統的視頻監測器上顯示掃描線。重復這個程序以顯示每次發射焦點位置(對于每個聲束角度在一個發射焦點位置情況下)或每個矢量(對于每個聲束角度在多個發射焦點位置情況下)的相應的掃描線，由此形成所需的階次的諧波圖象。
對于雙相的單發射編碼(例如，巴克碼)，特殊設計的編碼序列對長度為p的發射串(基本序列)進行調制。n個片段的編碼的基本序列具有的總長度為n×p。通過穿過復合的帶通/解碼濾波器46(參見附圖2)對束形成器輸出信號進行實時壓縮。某些編碼波形最好通過匹配的濾波進行壓縮，即應用一族解碼FIR濾波器系數a(k)，它與n-片段發射編碼相同。然而，有時通過應用具有比n濾波器系數更大或具有與原始的n-片段發射編碼不同的系數的FIR濾波器進行不匹配的濾波來實現更為理想的壓縮效果。復合濾波器46的輸出信號是一種壓縮脈沖的諧波信號，其長度等于或接近于原始發射串長度p，但它的幅值為其n倍或更大。
例如，附圖7所示為巴克碼系列的5個片段編碼序列。巴克碼為各種長度的雙相(或二進制)編碼序列，其長度可達n=13。如附圖7所示，如果通過匹配的FIR濾波器(即，具有和發射碼的數字相一致的濾波器系數)對5位的巴克碼[1,1,1,-1,1]進行解碼，則所實現壓縮率為n=5，它對應于SNR放大7分貝。然而，如在附圖7中所示，在解碼器濾波器輸出信號中的主脈沖被更小的幅值的脈沖所包圍，這些更小的幅值脈沖對應于在幅值上低于主波瓣1/n的軸向或平行的旁波瓣。
當應用分開的帶通濾波器和解碼濾波器時，通過解碼濾波器對接收數據進行解碼或自相關。基于發射編碼、解調頻率(如果解碼在解調之后)以及對所接收的數據執行的向下采樣量設計適當的解碼濾波器。
在所有的雙相編碼中，大家都知道當應用匹配的濾波器進行解碼時巴克碼可能具有最小的旁波瓣的特性。然而，對于任何單發射編碼，通常在降低信號增益和/或主波瓣的寬度(降低距離分辨率)的情況下通過失配濾波來抑制旁波瓣。通常應用更長的失配FIR濾波器來實現更大的旁波瓣抑制。
對于雙發射編碼(例如，格萊碼)，每個發射的焦點區存在兩個編碼基本序列。對于給定焦點位置上的編碼基本序列以足夠的幅值發射以便從在組織中的非線性傳播中產生諧波信號，并對所接收的波形進行束形成、解碼以及用其形成諧波圖像。對于雙發射編碼，解碼濾波器包括FIR濾波器和矢量加法器。對在給定的焦點位置上的兩次發射的FIR濾波器的輸出信號進行累加以完成解碼步驟。附圖8所示為對所需的諧波信號分量進行帶通濾波然后將每個接收的編碼與相應的發射編碼進行相關的FIR濾波器50。為實現這些應用，術語“解碼器”是指對接收矢量進行濾波以通過諧波信號分量并對接收矢量進行解碼的硬件和/或軟件。在附圖8所部分地描述的實施例中，FIR濾波器50和矢量加法器52形成了解碼器。(與其相反，在附圖2所示的實施例中，復合濾波器46形成了解碼器。)在第一編碼發射后的接收的過程中，復合FIR濾波器50依據第一組濾波器系數對第一束總計接收矢量進行濾波，通過將諧波帶通濾波器的濾波器系數同與第一發射編碼相匹配的解碼濾波器的濾波器系數相卷積來確定該第一組濾波器系數。將復合濾波器50所輸送的第一濾波的接收矢量存儲在矢量加法器52中的緩沖器中。在第二編碼發射后的接收的過程中，復合FIR濾波器50依據第二組濾波器系數對第二束總計接收矢量進行濾波，通過將諧波帶通濾波器的濾波器系數同與第二發射編碼相匹配的解碼濾波器的濾波器系數相卷積來確定該第二組濾波器系數。將第二濾波的接收矢量輸送到矢量加法器52中，在這里與存儲在緩沖存儲器中的第一濾波的接收矢量相加。然后對相加的經濾波的(例如，經帶通濾波和解碼)接收矢量進行進一步處理以進行圖像顯示。
對于雙發射編碼激勵，在聚焦在所需的發射焦點位置的第一發射激發的過程中依據第一編碼序列對換能器元件發射脈沖，而在聚焦在相同的發射焦點位置的第二發射激發的過程中依據第二編碼序列對換能器元件發射脈沖。通過將第一和第二編碼序列(例如格萊碼對)與基本序列分別進行卷積即通過應用編碼序列對基本序列進行相位編碼來產生第一和第二編碼序列。依據優選的實施例，第一和第二發射編碼為互補的格萊碼，例如格萊碼對[1,1]和[1,-1]，而脈沖發生器24(參見附圖2)為雙極性的。依據優選實施例，以編碼符號-1編碼的格萊編碼的基本序列的每個片段為相對于以編碼符號+1編碼的片段循環地在時間上移動了周期的1/2N。
在每次激發的過程中，通過從來自發射序列存儲器36或來自專用的硬件的格萊編碼基本序列激勵脈沖發生器24。響應來自發射序列存儲器36的格萊編碼基本序列和查詢表38所提供的發射焦點延遲，脈沖發生器產生輸送到組成發射孔徑的相應的換能器元件12的格萊編碼脈沖序列。通過脈沖發生器24將每個格萊編碼基本序列的+1和-1符號都轉換為0度和90度相位的脈沖。
對于每次激發，以二次諧波頻率執行帶通濾波并應用與在發射過程中所應用的格萊編碼的基本序列相對應的過采樣格萊碼序列執行解碼濾波。時間反向的過采樣格萊碼序列y(-k)存儲在濾波器系數存儲器48中并在適當的時間輸送到FIR濾波器(參見附圖8)。濾波器50對所接收的信號x(k)與過采樣格萊序列y(k)進行相關x(k)*y(-k)-=Σmx(m+k)y(m)----(2)]]>這里*表示卷積，上劃線表示共扼(如果X和Y為復數)。在矢量加法器中將相關的結果相加(參見附圖8)以形成解碼信號，然后將該解碼信號輸送到解調器31。
并入了在附圖8中所示的結構的成像系統還在束相加之前或之后還可以將RF回波信號解調到基帶并向下采樣。在本實例中，還將用于相關處理而存儲的過采樣的格萊碼序列解調到基頻帶并進行向下采樣。
復合FIR濾波器可以在束形成器輸出中以軟件方式或硬件方式實現(如附圖2所示)或在解調器輸出中實現。在后一種情況下，復合FIR濾波器的濾波器系數必需與解調信號相匹配或失配。對于解調器移動離散的頻率fd=k/2tb的情況，這里k是任何正整數，tb是編碼的基本序列的持續時間，由于正弦為實數，所以將相同組的濾波器系數都應用到用于I和Q分量的復合濾波器中，由此形成了實數濾波器。在fd≠k/2tb的情況下，由于I和Q復合濾波器接收不同組的濾波器系數，所以形成了復數濾波器。在后一種情況中，濾波器系數與相應的解調信號分量匹配或失配。
雖然已經說明并描述了本發明的某些優選的特征，對于在本領域的熟練技術人員來說可以作出許多變型和改變。因此，可以理解的是希望所附加的權利要求覆蓋落在本發明的真實的精神范圍之內的所有的這些變型和改變。
權利要求
1．一種發射一束波能的系統，包括包括許多換能器元件(12)的換能器陣列(10)；耦合到所說的換能器陣列的相應的換能器元件中的許多脈沖發生器(24)；以及發射束形成器(26)，對該發射束形成器(26)進行編程使其在發射激發的過程中以編碼基本序列和相應的發射焦點延遲激勵每個所說的脈沖發生器，所說的編碼基本序列包括由具有周期的基本序列與編碼序列的第一和第二編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，所說的第二片段相對于所說的第一片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數。
2．如權利要求1所述的系統，其中所說的第一和第二換能器元件包括壓電換能器元件。
3．如權利要求1所述的系統，其中所說的編碼序列包括巴克碼。
4．如權利要求1所述的系統，其中所說的發射束形成器包括以所說的編碼基本序列編程的發射序列存儲器(36)，所說的第二片段包括時間采樣，該時間采樣被循環地移動所說的周期的1/2N。
5．一種運行換能器陣列以發射一束波能的方法，其中所說的陣列的換能器元件形成了發射孔徑，該方法包括如下步驟在發射激發脈沖的過程中以編碼激勵波形驅動所說的換能器元件中的每個換能器元件，依據編碼基本序列對所說的編碼激勵波形進行編碼，該編碼基本序列包括由具有周期的基本序列與編碼序列的第一和第二編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，所說的第二片段相對于所說的第一片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數。
6．如權利要求5所述的方法，其中所說的編碼序列包括巴克碼。
7．一種成像系統，包括換能器陣列(10)，其包括許多換能器元件以響應電激勵發射波能并將所返回的波能感測成電信號的換能器元件(12)；發射器(14)，將其耦合到所說的換能器陣列中，并對其編程以激勵所選擇的換能器元件以形成發射聚焦的波能的發射孔徑，該波能具有基本頻率f0并在發射激發的過程中以編碼基本序列進行編碼，所說的編碼基本序列包括由具有周期的基本序列與編碼序列的第一和第二編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，所說的第二片段相對于所說的第一片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；接收器(16)，對該接收器(16)進行編程以從所選擇的在所說的發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中形成接收矢量；復合濾波器(46)，對該復合濾波器進行編程以對作為所說的編碼基本序列的函數的所說的接收矢量進行濾波并具有中心在諧波頻率Nf0的通帶；以及顯示圖象的子系統(22,32,34)，該子系統具有為所說的經濾波的接收矢量的函數的圖象部分。
8．如權利要求7所述的系統，其中所說的編碼序列包括巴克碼。
9．如權利要求7所述的系統，其中所說的復合濾波器包括FIR濾波器。
10．如權利要求7所述的系統，其中所說的子系統包括處理子系統(32)，對該處理子系統進行編程以從所說的經濾波的接收矢量中形成圖象信號；以及顯示子系統(22,34)，對該顯示子系統進行編程以顯示所說的圖象，并具有所說的圖象信號的函數的圖象部分。
11．如權利要求7所述的系統，其中所說的換能器元件包括響應電激勵發射超聲波并將所返回的超聲波轉換成電信號的壓電元件。
12．一種成像系統，包括換能器陣列(10)，其包括許多換能器元件以響應電激勵發射波能并將所返回的波能轉換成電信號的換能器元件(12)。發射器(14)，將其耦合到所說的換能器陣列中并對其編程以激勵所選擇的換能器元件以形成發射聚焦的波能的發射孔徑，該波能具有基本頻率f0并在發射激發的過程中以編碼基本序列進行編碼，所說的編碼基本序列包括由具有周期的基本序列與編碼序列的第一和第二編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，所說的第二片段相對于所說的第一片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；接收器(16)，對該接收器(16)進行編程以從所選擇的在所說的發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中形成接收矢量；對所說的接收矢量的諧波信號分量進行解碼的裝置(46,48)，所說的諧波信號分量的中心頻率基本等于Nf0；以及顯示圖象的子系統(22,32,34)，該子系統具有為所說的接收矢量的所說的經解碼的諧波信號的函數部分。
13．一種成像系統，包括換能器陣列(10)，其包括許多換能器元件以響應電激勵發射波能并將所返回的波能轉換成電信號的換能器元件(12)；顯示圖象的子系統(22)，該圖象具有為圖象信號的函數的圖象部分；計算機(14,16,20,32,34)，對該計算機進行編程以執行如下步驟(a)激勵許多所說的換能器元件以發射聚焦的波能，該波能具有基本頻率f0并以編碼基本序列進行編碼，所說的編碼基本序列包括由具有周期的基本序列與編碼序列的第一和第二編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，所說的第二片段相對于所說的第一片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；(b)從所選擇的在所說的發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中形成接收矢量；(c)對所說的接收矢量的諧波信號分量進行解碼，所說的諧波信號分量的中心頻率基本等于Nf0；(d)從所說的接收矢量的所說的諧波信號分量中形成圖象信號；以及(e)給所說的顯示子系統發送所說的圖象信號。
14．如權利要求13所述的系統，其中所說的編碼序列包括巴克碼。
15．如權利要求13所述的系統，其中所說的計算機包括執行解碼步驟的FIR濾波器(46)和存儲用于對所說的FIR濾波器進行編程的一組濾波器系數的存儲器(48)，所說的一組濾波器系數是所說的接收矢量的所說的諧波信號分量的所說的中心頻率和所說的編碼基本序列的函數。
16．如權利要求13所述的系統，其中所說的換能器元件包括響應電激勵發射超聲波并將所返回的超聲波轉換成電信號的壓電元件。
17．一種運行成像系統的方法，該成像系統包括響應電激勵發射波能并將所返回的波能轉換成電信號的許多換能器元件和顯示子系統，該顯示子系統顯示具有為圖象信號的函數的部分的圖象，所說的方法包括如下步驟(a)激勵許多所說的換能器元件以發射聚焦的波能，該波能具有基本頻率f0并在發射激發的過程中以編碼基本序列進行編碼，所說的編碼基本序列包括由具有周期的基本序列與編碼序列的第一和第二編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，所說的第二片段相對于所說的第一片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；(b)從所選擇的在所說的發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中形成接收矢量；(c)對所說的接收矢量的諧波信號分量進行解碼，所說的諧波信號分量的中心頻率基本等于Nf0；(d)從所說的接收矢量的所說的諧波信號分量中形成圖象信號；以及(e)給所說的顯示子系統發送所說的圖象信號。
18．如權利要求17所述的方法，其中所說的編碼序列包括巴克碼。
19．一種成像系統，包括換能器陣列(10)，其包括許多換能器元件以響應電激勵發射波能并將所返回的波能感測成電信號的換能器元件(12)。發射器(14)，將其耦合到所說的換能器陣列中并對其編程以激勵所選擇的換能器元件以形成發射聚焦的波能的發射孔徑，該波能具有基本頻率f0并在第一和第二發射激發的過程中分別以第一和第二編碼基本序列進行編碼，所說的第一和第二編碼基本序列每個都包括由具有周期的基本序列與第一和第二編碼序列的相應的編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，從包括第一和第二編碼符號的一組中采集所說的編碼符號，通過所說的第二編碼符號編碼的每個所說的片段相對于由所說的第一編碼符號編碼的片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；接收器(16)，對該接收器(16)進行編程以從所選擇的在所說的第一和第二發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中分別形成第一和第二接收矢量；復合濾波器(50)，對該復合濾波器進行編程以對作為所說的第一和第二編碼基本序列的函數的所說的第一和第二接收矢量分別進行濾波并具有中心在諧波頻率Nf0的通帶；加法器(52)，將所說的第一和第二經濾波的接收矢量相加以形成解碼接收矢量，以及顯示圖象的子系統(22,32,34)，該圖象具有為所說的解碼接收矢量的函數的圖象部分。
20．如權利要求19所述的系統，其中所說的第一和第二編碼序列形成格萊碼對。
21．一種成像系統，包括換能器陣列(10)，其包括許多換能器元件以響應電激勵發射波能并將所返回的波能感測成電信號的換能器元件(12)；發射器(14)，將其耦合到所說的換能器陣列中并對其編程以激勵所選擇的換能器元件以形成發射聚焦的波能的發射孔徑，該波能具有基本頻率f0并在第一和第二發射激發的過程中分別以第一和第二編碼基本序列進行編碼，所說的第一和第二編碼基本序列每個都包括由具有周期的基本序列與第一和第二編碼序列的相應的編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，從包括第一和第二編碼符號的一組中采集所說的編碼符號，通過所說的第二編碼符號編碼的每個所說的片段相對于由所說的第一編碼符號編碼的片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；接收器(16)，對該接收器(16)進行編程以從所選擇的在所說的第一和第二發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中分別形成第一和第二接收矢量；對所說的第一和第二接收矢量進行解碼以形成諧波信號分量的裝置(48,50,52)，所說的諧波信號分量的中心頻率基本等于Nf0；以及顯示圖象的子系統(22,32,34)，所顯示圖象具有為所說的諧波信號分量的函數部分。
22．如權利要求21所述的系統，其中所說的第一和第二編碼序列形成格萊碼對。
23．一種成像系統，包括換能器陣列(10)，其包括許多換能器元件以響應電激勵發射波能并將所返回的波能感測成電信號的換能器元件(12)。顯示圖象的子系統(22)，所顯示圖象具有為圖象信號的函數的圖象部分。計算機(14,16,20,32,34)，對該計算機進行編程以執行如下步驟(a)激勵所選擇的形成發射孔徑的換能器元件以發射聚焦的波能，該波能具有基本頻率f0并在第一和第二發射激發的過程中分別以第一和第二編碼基本序列進行編碼，所說的第一和第二編碼基本序列每個都包括由具有周期的基本序列與第一和第二編碼序列的相應的編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，從包括第一和第二編碼符號的一組中采集所說的編碼符號，通過所說的第二編碼符號編碼的每個所說的片段相對于由所說的第一編碼符號編碼的片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；(b)從所選擇的并在所說的第一和第二發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中分別形成第一和第二接收矢量；(c)對所說的第一和第二接收矢量進行解碼以形成諧波信號分量，所說的諧波信號分量的中心頻率基本等于Nf0；(d)從所說的諧波信號分量中形成圖象信號；以及(e)將所說的圖象信號發送給所說的顯示子系統。
24．如權利要求23所述的系統，其中所說的第一和第二編碼序列形成格萊碼對。
25．一種運行成像系統的方法，所述成像系統包括響應電激勵發射波能并將所返回的波能感測成電信號的許多換能器元件和顯示子系統，該顯示子系統顯示具有為圖象信號的函數的部分的圖象，所說的方法包括如下步驟(a)激勵所選擇的形成發射孔徑的換能器元件以發射聚焦的波能，該波能具有基本頻率f0并在第一和第二發射激發的過程中分別以第一和第二編碼基本序列進行編碼，所說的第一和第二編碼基本序列每個都包括由具有周期的基本序列與第一和第二編碼序列的相應的編碼符號分別進行卷積而形成的第一和第二片段，從包括第一和第二編碼符號的一組中采集所說的編碼符號，通過所說的第二編碼符號編碼的每個所說的片段相對于由所說的第一編碼符號編碼的片段移動了周期的1/2N，在此N為大于1的正整數；(b)從所選擇的在所說的第一和第二發射激發之后形成接收孔徑的換能器元件所產生的電信號中分別形成第一和第二接收矢量；(c)對所說的第一和第二接收矢量進行解碼以形成諧波信號分量，所說的諧波信號分量的中心頻率基本等于Nf0；(d)從所說的諧波信號分量中形成圖象信號；以及(e)將所說的圖象信號發送給所說的顯示子系統。
26．如權利要求25所述的方法，其中所說的第一和第二編碼序列形成格萊碼對。
全文摘要
在應用編碼激勵進行組織產生的諧波信號成像中，采集第N次諧波信號的發射波形是應用編碼序列的兩個編碼符號編碼的雙相(1，－1)波形，以第二編碼符號編碼的發射波形的部分(即，片段)每個相對于以第一編碼符號編碼的片段都相移了180°/N。這通過對以第二編碼符號編碼的發射序列的部分(即，片段)在中心頻率相對于以第一編碼符號編碼的發射序列的片段時移了周期的1/2N。
文檔編號G06T1/00GK1316227SQ0110333
公開日2001年10月10日 申請日期2001年1月31日 優先權日2000年1月31日
發明者R·Y·赤奧, Y·塔克烏赤, A·L·哈爾, K·E·托梅尼烏斯 申請人:通用電氣公司